1、1,第二章 原核微生物学 第一节 细菌 世界上最古老的生物也是最成功的生物。 细菌是一种个体微小、形态简单、具有细胞壁、以二 分裂法进行繁殖的单细胞的原核微生物。 原核微生物主要的共同特点：细胞内有明显核区， 但无核膜包围；核区内含有一条双链DNA构成的细菌染 色体；能量代谢和许多合成代谢均在质膜上进行；蛋 白质的合成“车间”核糖体分布在细胞质中。 细菌形态和大小 细菌的基本形态有杆状、球状 和螺旋状，杆菌、球菌和螺旋菌。 1. 球菌 coccus：菌体呈球形或近球形的细菌称球菌 单球菌coccus 双球菌diplococcus 链球菌 streptococcus 四联球菌tetrads 八叠
2、球菌 sarcina 葡萄球菌 staphylococcus不论哪种类型的排列，在显微镜下都能看到游离的单个球菌。,2,原核微生物与真核微生物的细胞差异,3,球菌的排列,4,双球菌,5,链球菌,6,四联球菌,7,八叠球菌,8,葡萄球菌,9,金黄色葡萄球菌,10,球 菌,11,奈瑟氏球菌,12,奈瑟氏球菌,13,2. 杆菌 bacillus 杆状细菌是细菌中种类最多的一类，因菌种不同，菌体细胞长短粗细不一。根据长短分为长杆菌、短杆菌、球杆菌等；根据菌体某个部位是否膨大可分为棒状杆菌、梭状杆菌等；另外还有链杆菌等。,14,长 杆 菌,15,长 杆 菌,16,短杆菌,17,短杆菌,18,球杆菌,19
3、,梭状芽孢杆菌,20,链杆菌,21,3.螺旋菌 spirilla 菌体呈弯曲状的细菌称为螺旋菌，具体可以分为弧菌(vibiro)和螺菌(spirillum)。弧菌菌体呈弧状或逗号形，螺菌菌体迥转成螺旋状。,22,螺旋菌spirillum,23,螺旋体spirochete,24,* 注意螺旋菌与螺旋体spirochete的区别：螺旋体是介于细菌和原生动物之间的单细胞原核生物，形态学和运动机制独特。螺旋体菌体细长、柔软、弯曲呈螺旋状而得名。无鞭毛，具有细菌所有的基本结构，其细胞壁不及细菌的坚韧，内含脂多糖和胞壁酸。细菌的形态常受环境因素的影响。如培养温度、培养时间、培养基中物质的组成及浓度等发生改
4、变均可引起细菌形态的改变。一般处于幼龄及培养条件适宜时，细菌形态正常、整齐；在较老的培养物中，或在不正常的培养条件下，细菌细胞形态表现异常，如移置到新鲜培养基内并在适宜条件下培养，会重新出现正常的细菌形态。细菌的形态常是细菌分类鉴定的指标之一。,25,* 细菌的异常形态：细胞膨大，或出现梨形，或产生分枝，或细胞拉长,1畸形：由于化学或物理因素的刺激，阻碍了细胞的发育而引起的异常形态,2衰颓形：由于培养时间过长，营养缺乏，代谢排泄物浓度积累过高等使细胞衰老而引起的异常形态,26,细菌形态总结,27,二.细菌的大小 细菌通常用微米um作为测量单位1.球菌：测量直径，一般在0.5-2um； 2.杆菌
5、：测量长和宽，长一般在1-5um，宽一般在0.5-1um；3.螺菌：一般只测量其弯曲形长度，而不测量其真正的总长度测量细菌大小用测微尺在显微镜下进行。菌种不同，细菌大小存在较大差异；染色方法不同，同种细菌也会出现差异；细菌细胞大小随菌龄变化，一般幼龄菌比老龄菌要大。故细菌大小常是平均值或代表性数值。,28,三.细菌的细胞生物学(细菌细胞的形态结构) 细菌细胞无完整的细胞核(不有核膜)，无线粒体等细胞器。细菌的细胞结构，一般分为基本结构和特殊结构二部分。基本结构：细胞壁、细胞膜、间体、核质体、细胞原生质等；特殊结构：荚膜、鞭毛、芽孢等。,29,原核生物细胞(细菌)电镜解剖图,30,典型的细菌细胞
6、结构示意图,31,(1)细胞壁 cell wall细胞壁是位于细胞最外层的一层坚韧而略具弹性的结构。通过特殊染色可在光镜下看到。细菌细胞壁的主要化学成分是肽聚糖(peptidoglycan)而肽聚糖是由N-乙酰葡萄糖胺(N-acetylglucosamine简写NAG)和N-乙酰胞壁酸(N-acetylmuramic acid，简写NAM)以及短肽聚合而成的多层网状结构大分子化合物。NAG和NAM相间排列，以-1,4糖苷键连接，形成肽聚糖的多糖链。以肽键连接的氨基酸短肽形成肽聚糖的肽链，其氨基酸的组成和排列顺序，通常为L-Ala,D-Glu,L-二氨基酸和D-Ala；这些短肽通过D-乳酰羧基连
7、在部分或全部NAM的残基上。相邻短肽通过一定的方式将肽聚糖亚单位交叉连接成重复结构。* 细菌细胞壁的永恒性细菌化石的基础,32,肽聚糖的结构示意图,33,肽聚糖中NAG与NAM的交联方式,34,E.coli peptidoglycan,35,金黄色葡萄球菌肽聚糖结构,36,肽聚糖的交联及其局部放大 四肽之间有一甘氨酸五肽桥,37,肽聚糖中的肽桥连接方式 纵向：四肽链，横向：五肽桥,38,细胞壁肽聚糖肽桥连接细节,39,N-乙酰胞壁酸的化学结构,40,不同种类细菌细胞壁中肽聚糖的结构与组成不完全相同，细胞壁的厚度也不等。根据细菌细胞壁厚度与化学组 分的差异，通过“革兰氏染色”可以将所有细菌分为革
8、兰氏阳性细菌(G+)革兰氏阴性细菌(G-)二大类。革兰氏染色法是丹麦医生Gram于1884年首创，系微生物学中最重要的染色方法之一。革兰氏染色程序：细菌涂片草酸铵结晶紫初染碘 液媒染酒精脱色沙黄复染镜检美国微生物学会推荐的标准方法：将以下三种细菌涂 片于同一块载玻片，进行同条件染色。标准G+细菌 待检细菌样品 标准G-细菌 金黄色葡萄球菌 大肠杆菌关于革兰氏染色的原理，一般认为与细菌细胞壁的化学组分和结构、细胞壁的渗透性有关。,41,革兰氏染色方法图示,42,大肠杆菌的革兰氏染色(阴性),43,金黄色葡萄球菌的革兰氏染色(阳性),44,G+细菌和G-细菌的混合染色结果,45,1) 革兰氏阳性细
9、菌G+ (Gram-postive bacteria)多数G+细菌细胞壁由二部分构成：微细纤丝microfibric组成的网状骨架和基质matrix。其化学组分除肽聚糖外，还有结合有其它多糖及一类特殊的多聚物磷壁(酸)质teichoic acid。磷壁(酸)质又称垣酸，是多数G+细菌细胞壁中组成基质所特有的化学成分，可分为甘油型和核糖醇型磷壁(酸)质二种；除个别球菌外，G+细菌细胞壁只含一种磷壁(酸)质。磷壁(酸)质的存在使细胞壁形成一个负电荷环境，大大加强了细胞膜对二价阳离子的吸附，尤其是Mg2+。高浓度Mg2+的存在对于保持细胞膜的硬度，提高细胞壁合成酶的活性极为重要；同时磷壁(酸)质在细
10、胞表面构成噬菌体吸附的受体位点。,46,G+细菌细胞壁超薄切片的电镜图象,47,G+细菌细胞壁结构示意图,48,G+细菌cell Envelope,49,G+细菌细胞壁构架示意,50,2)革兰氏阴性细菌G- (Gram-negative bacteria)G-细菌细胞壁的组成和结构比G+细菌更复杂，其结构层次明显，分为内壁层和外壁层。内壁层紧贴细胞膜，为肽聚糖层，其网状结构不及G+细菌的坚固，显得比较疏松。外壁层覆于肽聚糖层之外部，可再分为内、中、外三层。外为脂多糖层，中间磷脂层，内是脂蛋白层；部分G-细菌的抗原性、致病性及对噬菌体的敏感性均与这些组分有关。脂多糖是G-细菌细胞外壁层的主要成分
11、，也是G-细菌细胞壁中的独有成分，其化学成分因种而有差异，由核心、O-侧链和质组成。O-侧链具有抗原性(菌体抗原，O抗原)。不同种或型的细菌，O-侧链的组成和结构均有变化，构成了各自的特异性抗原。 非致病性G-细菌细胞壁中不具有O-侧链，只有核心。O抗原的差异在免疫学和临床诊断中具有重要意义。,51,G-细菌细胞壁超薄切片的电镜图象,52,G-细菌细胞壁结构示意图,53,G-细菌cell Envelope,54,G-细菌细胞壁构架示意,55,G-细菌细胞壁脂多糖LPS三部分的结合方式,56,脂多糖结构,57,3) G-细菌和G+细菌细胞壁的差异比较 性 质 革兰氏阳性细菌 革兰氏阴性细菌 厚
12、度nm 20-80 内：2-3 外：8层 次 单层 多层 肽聚糖结构 多层，75%亚单位交联 单层，30%亚单位交联 与细胞膜关系 不紧密 紧密 磷壁(酸)质 有或无 无多 糖 有 无 蛋 白 质 有或无 内：无 外：有 脂 多 糖 1-4% 内：无 外：11-22% 脂 蛋 白 无 内：有或无 外：有 对青霉素反应 敏感 不够敏感 细菌细胞壁的组成中，胞壁酸(NAG、NAM)、磷壁(酸)质、二氨基庚二酸、D-氨基酸等是细菌以及与之相近的原核微生物细胞壁中所特有的。D-氨基酸的存在有助于抵抗普通蛋白酶和肽酶的分解作用。,58,G-细菌和G+细菌细胞壁的结构比较示意,59,G-细菌和G+细菌细胞
13、壁肽聚糖交联度比较,60,4) 细胞壁缺陷细菌用溶菌酶处理细菌细胞或在培养基中加入青霉素等因子，便可破坏或抑制细胞壁的形成，成为细胞壁缺陷细菌。包括原生质体、球形体和细菌L-型 原生质体protoplast：用溶菌酶或青霉素处理G+细菌获得，细菌除去细胞壁后剩下的部分称原生质体。原生质体对环境条件敏感，但在适宜条件下可生长，并形成菌落 球形体 spheroplast：用溶菌酶或青霉素处理G-细菌获得，因该类菌细胞壁肽聚糖含量少，虽被溶菌酶除去，但外壁层全部保留，故球形体对外界环境有一定抗性，并能在普通培养基中生长。 细菌L-型 bacterial L-form：这是G+和G-细菌在某些环境条件
14、下所形成的变异型。无完整而坚韧的细胞壁，细胞多形态，有的能通过细菌滤器。最先被Lister研究所发现，故名L-型。,61,5)古细菌细胞壁 细胞壁不含肽聚糖(胞壁质)和D型氨基酸，含拟胞壁质或杂多糖。可分为四个类型类型1：大多数G+古细菌，细胞壁主要为拟胞壁质或杂多糖；类型2：只存在于G+的炽热甲烷热菌，在拟胞壁质外还有蛋白质表层；类型3：为典型的G-古细菌细胞壁，见于所有嗜热嗜酸菌、多数嗜盐古细菌和产甲烷菌中。与G-真细菌不同，细胞膜外仅有一个蛋白质或糖蛋白组成的表层，坚固热稳定。类型4：单个细胞外有一个电子致密弹性层，还有蛋白原纤维鞘将若干细胞连在一起。见于甲烷螺菌和甲烷丝菌。拟胞壁质的聚
15、糖链由N-乙酰葡萄糖胺(或N-乙酰半乳糖胺)和N-乙酰氨基塔罗糖醛酸以-1,3键交替连接。含拟胞壁质的G+古细菌无磷壁酸或磷壁醛酸。只有L-氨基酸。,62,(2)细胞膜 cell membrane or cytoplasmic membrane or plasma membrane细胞膜是外侧紧贴细胞壁而内侧包围细胞原生质的一层柔软而富有弹性的半透性薄膜。细胞膜厚度约7-8nm，其基本构造为双层磷脂，蛋白质横跨磷脂层或位于表面。细菌细胞膜基本由脂类和蛋白质构成。脂20%，Pr70% 脂类：细菌细胞的脂类几乎全部分布在细胞膜中，主要为极性类脂甘油磷脂，由甘油、脂肪酸、磷酸和含氮碱组成；含氮碱部分
16、因菌种、菌体生理状态和环境条件而异。磷脂中的脂肪酸有饱和与不饱和脂肪酸二种，其中不饱和脂肪酸使细胞膜具备了流动特征。如果磷脂分子中只含饱和脂肪酸，在生理温度下，脂肪酸便排列成固定晶格。,63,但是不饱和脂肪酸可导致膜结构变形。当磷脂分子中二者同时存在时，在一定条件下就阻碍了形成晶格结构所需的有序排列。因此，细胞膜的流动性很大程度上取决于不饱和脂肪酸的结构和相对含量。这种结构使得膜中脂类在较低的温度条件下仍能维持膜中蛋白质的活性。环境中的温度或某些化学成分的改变，都会引起细胞膜发生“相变”现象溶胶/凝胶(phase transition)，即一部分脂区从流动态变为凝胶态，另一部分则从凝胶态变为流
17、动态。所以，细胞膜中磷脂层的某些部位，随外界环境条件的变化以及膜中脂类的不同，结构上常出现“相变”现象。这正好反映细胞膜功能的多样性以及调节机制的复杂性。低温抑制细菌繁殖，原因之一就是降低了细菌细胞膜的流动性，阻止细胞内外的物质运输。,64,2) 蛋白质 含量占细胞膜的70%左右，高于任何一种生物膜。根据蛋白质的分布可分为二大类：一类是外周蛋白(可溶性蛋白)，分布于膜内、外两侧的表面，占膜蛋白的20-30%；另一类是固有蛋白，插入或横跨于磷脂双分子层，占膜蛋白的70-89%。细菌细胞膜是一个重要的代谢活动中心，众多膜蛋白各具特殊活性，按功能分为： 渗透酶(透性酶)：负责细菌细胞与外界的物质交换
18、，具有重要的转运功能； 合成酶：负责合成细胞膜脂类分子以及细胞壁的各种大分子；,65, 呼吸酶：细菌进行有氧呼吸的呼吸链(电子传递链)的酶系琥珀酸脱氢酶、NADH2脱氢酶、细胞色素氧化酶等均分布与细胞膜上； ATP合成酶：氧化磷酸化酶系，在其作用下，细胞产生ATP。3) 细菌细胞膜结构理论：磷脂双分子层构成膜的基本骨架；磷脂分子在细胞膜中以多种形式不断运动，使膜具有流动性；膜蛋白无规则的、以不同深度分布与膜的磷脂层中细胞膜中的蛋白和磷脂，不论数量与种类，均随菌体生理状态而变化。,66,细胞膜双分子层结构示意图,67,细胞质膜的立体结构示意图,68,(3)中体(间体) mesosome细胞膜内陷
19、而成的层状、管状或囊状物，为细菌细胞质中主要的、典型的单位膜结构。其功能可能是呼吸作用的电子传递系统中心，相当于高等生物的线粒体；另外也可能参与细胞壁的合成、核质分裂和芽孢细菌的芽孢形成,69,一种细菌的间体m、核n、细胞膜cm、细胞壁cw,70,(4) 细胞核 nucleoid(拟核)细菌细胞核无核膜、无核仁、无固定形态，结构简单。此为原核生物与真核生物的主要区别原核原始的核。所以细菌细胞核也称为核质体或细菌染色体，为环状双链DNA。细菌染色体为高度折叠缠绕的“超螺旋”结构，正常情况下，一个菌体只有一个核质体，细菌处于活跃生长期可有2-4个核质体，出现H、X和Y形核。细菌DNA的分子量为10
20、9daltons数量级。细菌染色体是细菌遗传的物质基础。,71,一种双球菌的核质体(n),72,处于复制状态的大肠杆菌染色体DNA,73,(5)细胞质(细胞原生质) cytoplasm细胞质是细胞膜内除却细胞核外的胶状物质，主要成分为水、蛋白质、核酸、脂类、多糖及少量无机盐类。细胞质中含有各种内含物(非所有细菌共有)： 核糖体 ribosome核糖体是分散存在于细菌细胞质中的沉降系数为70S的亚微颗粒，是细胞合成蛋白质的重要场所，由65%的RNA和35%的蛋白质组成。* 真核生物的核糖体的沉降系数为80S细菌的多聚核糖体：由一条长的mRNA分子和若干单个的核糖体结合而成，呈念珠状，每个核糖体独
21、立完成一条多肽的合成，故细菌的蛋白质合成效率很高。原核生物细胞平均含15000个核糖体，真核生物细胞平均含10000-70000个核糖体。,74,细菌细胞的70S核糖体模型,75, 质粒 plasmid质粒是细菌染色体外的一种微小遗传物质，结构为共价、闭合、环状的双链DNA(cccDNA)；分子量为2-100106daltons，质粒个数因菌种1-数十个。按功能可将质粒分为：A.抗药性质粒(R因子)：对抗生素或某些药物表现抗性；B.致育因子(F因子)：与细菌的有性接合有关，参与细菌的接合、转导等；C.大肠杆菌素质粒(Col因子)：产生大肠杆菌素，以抑制其它细菌生长；D.抗性质粒：对Hg2+、N
22、i2+、Co2+、Ag+、 Cd2+、As3+、Te6+以及紫外、X射线具有抗性；E.分解性质粒：可分解樟脑、二甲苯、酚及难分解的一些有机物质粒能自我复制，既能水平传递也可垂直遗传，是一个独立的复制子replicon，可携带外源DNA片段共同复制并转移，为基因工程中的重要运载(载体)工具。,76, 异染颗粒 metachromatic granules主要成分是多聚偏磷酸盐，可能是细菌细胞的磷源和能源性贮藏物，为嗜碱性的酸性小颗粒，用蓝色染料染色后呈紫红色，故称异染颗粒。在菌种鉴定上有意义。 聚羟基丁酸颗粒 poly-hydroxybutyric acid为细菌所特有，是细菌的碳源和能源性贮藏
23、物易被脂溶性染料苏丹黑着色，在光镜下可见。 多糖颗粒 polysaccharide granules这种颗粒一般以肝糖或淀粉粒的形式存在，可在电镜下观察到。用碘液染色呈红棕色的是肝糖粒，染成蓝色的是淀粉粒。,77, 硫粒 sulfur granules 仅存在于硫细菌中，是硫素贮藏性物质。 伴胞晶体 parasporal crystal这是苏云金芽孢杆菌在芽孢形成过程中，同时形成一种菱形的多肽晶体，为碱性蛋白质，是一种昆虫毒素(-Endotoxin)，对多种昆虫具有不同程度的致病和毒杀作用。 液泡vacuole 和气泡gas vacuoole 液泡出现于衰老细菌细胞中；气泡主要存在于某些光合细
24、菌与水生细菌的细胞质中，其生理学功能是调节渗透压，抵抗外部所施加的压力不同细菌其贮藏性内含物是不同的。同一菌种在不同条件下的内含物不尽相同。,78,2.特殊结构 只在部分细菌中才存在的细菌细胞结构，如芽孢、鞭毛、荚膜等。 (1)荚膜 capsule 细菌在一定营养条件下向细胞壁分泌的一层疏松、粘稠、透明的胶质状物质。用负染方法可在光镜下看到。荚膜在细胞表面存在的几种状况：A.具有一定外形，厚约200nm，相对稳定，称为荚膜或大荚膜macrocapsule；B.厚度在200nm以下，称微荚膜microcapsule；C.无明显边缘，可向周围环境扩散，比荚膜疏松，称粘液层slime layer荚膜
25、含90%的水，化学成分为多糖或多肽的聚合物，荚膜多糖又称胞外多糖。成分因菌种不同而异。产生荚膜是细菌的遗传特性，种的特征，但非细菌细胞的必需结构。,79,印度墨水染就的荚膜,80,荚膜内的单个与多个细菌,81,肠道细菌的荚膜染色,82,具有荚膜的布鲁斯菌Brucella,83,荚膜虽不是细菌细胞的重要结构，但它是细胞外碳源和能源性贮藏物质；并能保护细胞免受干燥的影响，同时可增强某些病原菌的致病能力，使之抵御宿主吞噬细胞的吞噬。产生荚膜的细菌在琼脂培养基上形成的菌落表面湿润，粘稠透明状，边缘光滑，称光滑型(S型)菌落；不产荚膜的细菌所形成菌落为粗糙型(R型)荚膜的形成与环境条件密切相关。提纯的荚
26、膜物质具有抗原性和半抗原性。,84,(2)鞭毛 flagella 运动性微生物细胞表面着生的一根或数根由细胞内伸出的细长、波曲、毛发状的丝状体结构，是细菌的“运动器官”。鞭毛起源于细胞膜内侧的基粒上，其化学组成主要是鞭毛蛋白，是很好的抗原(H抗原)；类似于动物的角蛋白、肌球蛋白、纤维蛋白。1)鞭毛的着生位置：鞭毛的着生位置和数目是种的特征，具有分类鉴定意义。A.偏端单生鞭毛 霍乱弧菌、荧光假单胞菌；B.两端单生鞭毛 鼠咬热螺旋体；C.偏端丛生鞭毛 红色螺菌、产碱杆菌；D.周生鞭毛 肠道杆菌、枯草杆菌。,85,细菌鞭毛着生示意图,86,细菌的偏端单生鞭毛,87,螺旋菌的两端生鞭毛,88,沙门氏菌
27、的周生鞭毛,89,细菌鞭毛的电镜图象,90,2)鞭毛的结构 一根完整鞭毛从形态上可分为三部分：鞭毛丝、鞭毛钩、基体。A.鞭毛丝：位于鞭毛末端，直径约13.5nm，长约20um的中空螺旋丝状结构。鞭毛蛋白为球状蛋白分子，球状蛋白质组成丝状亚基，三条丝状亚基围绕一个中空核心组装成螺旋链，使之称为一条丝状结构。细菌因机械作用失去的鞭毛经一个世代就可恢复。B.鞭毛钩：也叫钩形鞘，是连接于鞭毛丝基部的一个弯曲的筒状部分，直径稍大于鞭毛丝。C.基体：也叫生毛体或基粒，连接于鞭毛钩的下端。其结构包括一条中心杆及连接于其上的2-4个环：G-细菌有4个环(L、P、S、M)，L和P分别包埋于外壁的脂多糖层和内壁的
28、肽聚糖层，S环位于膜壁空间；M环居于细胞膜中。而G+细菌只有S和M环，S环可能与细胞壁外的磷壁(酸)质多聚体相连，M环则与细胞膜相接。这表明S和M环是鞭毛功能所必需的。Question：当细胞分裂时，两个子细胞怎样从母细胞那里获得完全的鞭毛成分呢？,91,鞭毛结构示意图,92,3)鞭毛的运动方式：鞭毛的运动引起菌体运动。周生鞭毛菌一般按直线慢而稳重地运动和旋转端生鞭毛运动快，从一端冲向另一端。细菌鞭毛的运动，是缘于鞭毛基部的一个鞭毛“发动器”，当S环和M环彼此相反方向旋转时，“发动器”启动，导致中心杆转动，使鞭毛丝急速旋转，推动菌体前进。(此为假设)鞭毛菌的运动速度惊人，是其长度的十倍或数十倍
29、。细菌的运动性，是细菌分类鉴定的一种依据准确区分鞭毛引起的运动与布朗运动以及在实验室正确应用这一过程的方法都十分重要。,93,附：繖毛或纤毛 pili G-细菌和少数G+细菌表面比鞭毛更细、较短而直硬的丝状体结构。繖毛数量多，150-500根，长200-2000nm，在 电镜下可见。起源于细胞质基粒或原生质。繖毛由蛋白质组成，其功能与细菌的吸附和附着特性有关。最为重要的繖毛要算是性繖毛(sex pili)，由性质粒(F因子)控制形成，故也称F-pili。它比普通繖毛粗而长，数目少，是细菌接合的“工具”。,94,细菌繖毛 示意图,95,细菌繖毛电镜图象,96,繖毛与鞭毛的区别,97,大肠杆菌的性
30、繖毛,98,(3)芽孢 spore 某些细菌生长到一定阶段，在细胞内形成一个圆形、椭圆型或圆柱形的、对不良环境具有较强抗性的休眠体，由于其位于细胞之内，为区别放线菌和霉菌的孢子，细菌的芽孢也称作内生孢子(endospore)。带有芽孢的菌体叫芽孢囊(sporangium)，产生芽孢前的菌体称营养体(vegetative cell)。芽孢的出现，实质上是微生物发育循环中所产生的细胞分化现象或称形态发生，是一个(群)细胞从一种功能转变为另一种功能的表现。能否形成芽孢是细菌种的特征。产芽孢的细菌：芽孢杆菌属、梭状芽孢杆菌属、芽孢乳杆菌属、脱硫肠状菌属、多孢子菌属、芽孢八叠球菌属、螺菌属等。,99,A
31、.芽孢形态学：芽孢形成的位置、形状、大小因菌种而异，在分类鉴定上具有一定意义。芽孢形成位置：中央生，偏端生，端生等；并且有膨大与不膨大之分。芽孢形状：圆形、椭圆形、卵圆形、圆柱形等芽孢结构：成熟芽孢具有核心、内膜、初生细胞壁、皮层、外膜、外壳层等。,100,B.芽孢的基本特性：成熟芽孢含水量很少，具有厚而致密的壁，含有大量的以钙盐形式存在的2，6-吡啶二羧酸(DPA)，并有抗热性酶。因此，芽孢具备高度耐热性和抵抗不良环境的能力。芽孢皮层的高离子强度使其具有极高的渗透压，导致芽孢原生质高度失水并皱缩为含水低的状态,101,巨大芽孢杆菌的中央生芽孢,102,梭状芽孢杆菌的端生芽孢,103,细菌芽孢
32、的电镜图象,104,巨大芽孢杆菌芽孢的电镜解剖图 SC：芽孢衣，G：胚沟，OCL：外芽孢皮层 Cx：芽孢皮层，GCW：生发细胞壁层，PM：原生质膜,105,B.芽孢的基本特性：枯草芽孢杆菌的芽孢在沸水中可存活1小时；破伤风芽孢杆菌的芽孢可存活3小时；肉毒梭状芽孢杆菌的芽孢可耐受6小时。此外，芽孢还抗辐射(与芽孢衣中富含二硫键氨基酸有关)、抗静水压、抗化学药物(由芽孢衣的不通透性和原生质的高度脱水状态所致)；芽孢具有很强的折光性质。在一定条件下，芽孢可保持活力数年至数十年之久。芽孢首先由德国科学家ferdinand Cohn和Robert Koch所描述，这是微生物学的重要发现。,106,C.芽
33、孢的形成与萌发 轴丝形成：在营养细胞内，分开的核质体成为细胞中央的轴丝结构，通过间体与膜相连； 隔膜形成：在细胞偏端处细胞膜内陷，向心延伸，产生隔膜，将细胞分为大小二部分 前孢子形成：在细胞中，较大部分的细胞膜围绕较小部分迅速继续延伸，直至将小的部分完全包围到大的部分中为止，这个新形成的结构称前孢子forespore,107, 皮层形成：前孢子进行合成作用，新物质沉积于前孢子的两层极性相反的细胞膜之间，逐渐发育成皮层cortex。此时，随着DPA的合成和钙的吸收，前孢子外面开始形成外壳层。 孢子外壳层的形成：在皮层形成过程中，前孢子外膜表面合成外壳物质，并沉积于皮层外表，逐渐形成一个连续的致密
34、层，继续积累DPA和钙离子。 芽孢合成全部完成，此时芽孢具有很强的抗热性和特异结构。 孢子囊破裂或溶解，释放出成熟芽孢。,108,形成芽孢需要一定的外界条件，这些条件因菌种而异芽孢萌发：在适宜条件下(水、温度、营养物、氧等)，芽孢开始吸收水分盐和营养物质，体积膨大，释放DPA，酶活性增强，合成能力增加，呼吸活动提高，芽孢壁破裂，芽孢萌发成一个新的营养细胞。芽孢因萌发会丧失抗热和抗逆性能。芽孢的形成和萌发特点对实践中的灭菌工作具有重要意义。注意：一个营养细胞只形成一个芽孢，而一个芽孢也只能萌发产生一个营养细胞。芽孢仅仅是芽孢细菌生活史中的一环，是细菌抵抗不良环境的休眠体，而不是细菌的一种繁殖方式
35、 。,109,了解芽孢的实践意义： 1) 芽孢是细菌分类鉴定的重要特征；2) 杀灭芽孢是制定灭菌标准的主要依据；3) 许多芽孢杆菌是重要的致病菌：炭疽芽孢杆菌、肉毒梭状芽孢杆菌、破伤风梭状芽孢杆菌。4) 某些芽孢杆菌有伴生产物：杆菌肽、短杆菌肽、伴胞晶体等。,110,细菌内生芽孢循环-1：营养细胞,111,细菌内生芽孢循环-2：核质体复制,112,细菌内生芽孢循环-3：芽孢横隔形成,113,细菌内生芽孢循环-4：核质体被原生质膜包围,114,细菌内生芽孢循环-5：形成前芽孢forespore,115,细菌内生芽孢循环-6： 前芽孢完成，另一核质体完全降解,116,细菌内生芽孢循环-7： 内外前
36、芽孢膜之间的芽孢皮层形成； 合成的DPA参入积累到内生芽孢中,117,细菌内生芽孢循环-8：芽孢衣合成,118,细菌内生芽孢循环-9： 有时增加芽孢外壁，细菌的营养部分降解，完整的内生孢子释放,119,细菌内生芽孢循环-10： 当环境条件适宜，芽孢萌发，芽孢壁被酶解，营养细胞出现,120,细菌内生芽孢循环-11： 营养细胞二分裂,121,细菌内生芽孢循环-12： 营养细胞分裂完成,122,三.细菌的繁殖接种到新鲜培养基里的细菌细胞，从周围环境中选择性地吸收营养物质，随后发生一系列生物合成反应(合成蛋白质、核酸、酶及其它大分子)，细胞物质和细胞体积增加，新的细胞壁物质的合成，使菌体开始繁殖，最终
37、形成二个新的子代细胞。裂殖(fission)是细菌最普遍、最主要的繁殖方式，通常为横分裂(垂直于长轴的分裂),123,同型分裂homotypic division：分裂后所形成的二个子细胞大小相等； 异型分裂heterotypic division：分裂后所形成的二个子细胞大小不等。 出芽(budding)繁殖：红假单胞菌、芽生杆菌等， 三分裂：暗网菌链中相邻细胞三分裂形成的“Y”形结构 多分裂：蛭弧菌的一种分裂方式。 细菌分裂过程：核质体分裂和隔膜形成，横隔壁形成，子细胞分离。,124,细菌分裂(示核质体分裂、隔膜和隔壁形成),125,四.细菌群体(菌落)colony的形态与特征将单个微生物
38、细胞或一堆同种细菌细胞接种于固体培养基表面，当给予适当培养条件时，该细胞就迅速进行生长繁殖，由于细胞受到固体培养基表面的限制，繁殖的菌体以母细胞为中心而聚集，形成一个肉眼可见的、具有一定形态构造的子细胞群体菌落colony。或者说，生长在固体培养基上、来源于一个细菌细胞、肉眼可见的细胞群体称菌落一个纯种细菌细胞群或克隆(clone)。如果将纯种的大量细菌细胞密集接种到培养基表面，则各个菌落连成一片菌苔(lawn),126,纯培养：由一个细菌所繁殖的子代细胞群体 各种细菌，在一定条件下形成的菌落特征具有一定的稳定性和专一性，这是衡量菌种纯度、辨认和鉴定细菌的重要依据。菌落特征包括：大小；形状(圆
39、形、非规则)；隆起形状(扩展、台状、凸面、乳头状等)；边缘情况(整齐、波状、锯齿状)；表面状态(光滑、皱褶、颗粒状、龟裂状、同心环等)；表面光泽(闪光、金属光泽、无光泽等)；质地(油脂、膜状、粘、脆)；颜色、透明度等。,127,细菌的菌落特征：湿润、较光滑、较透明、较粘稠、易挑起、质地均匀以及菌落正反面或边缘与菌落中央部位的颜色一致等等菌落特征，取决于组成菌落的细胞结构和生长行为。有荚膜的细菌菌落光滑粘稠、透明；无荚膜细菌的菌落表面粗糙干燥；有鞭毛的细菌菌落大而扁平、形状不规则、边缘缺刻；无鞭毛的细菌菌落小而隆起、边缘圆整；芽孢细菌因芽孢引起的折光变化而使菌落外形不透明，有“干燥”之感，因其具
40、有周生鞭毛，故菌落表面粗糙、多褶等。,128,菌落形态大小也受邻近菌落影响。菌落相靠太近，因营养物有限，加之有害代谢物的分泌和积累，生长受到抑制，所以相互靠近的菌落较小，分散的菌落较大。 同一菌落中，因各个细胞所处空间位置不同，营养物摄取、空气供应、代谢物积累等均不同，导致同一菌落中细胞间在生理、形态方面或多或少的差异。,129,细菌平板菌落,130,五. 食品中的常见细菌1. 醋酸杆菌Acetobacter幼龄G-，老龄G+；无芽孢；需氧；将乙醇氧化为醋酸；见于腐败的食品和食物。 2. 无色杆菌AchromobacterG-；具有鞭毛；分解糖产酸；导致海产品变质。 3. 不动杆菌Acinet
41、obacterG-；不形成芽孢；无鞭毛。 4. 产碱杆菌AlcaligenceG-；产生色素；不产酸；可导致乳品和动物性食品粘性变质。,131,5. 芽孢杆菌BacillusG-；需氧；广泛分布于土壤；有人类致病菌和食腐败菌。 6. 拟杆菌Bacteroides厌氧；G-；人类和动物的致病菌。 7. 柠檬酸细菌CitrobacterG-；周生鞭毛；以柠檬酸为唯一碳源；见于粪便、水体和食品。8. 梭状芽孢杆菌ClostridiumG+；厌氧或微好氧；为罐头食品的腐败菌9. 棒状杆菌CorynebacteriumG+；少数致病；个别种可产生味精。,132,10. 肠杆菌EnterobacterG-
42、；周生鞭毛；不产色素；发酵糖产酸产气；见于水体和动物肠道。 11. 欧文氏菌ErwiniaG-；植物和果蔬病原菌。 12. 埃希氏菌EscherichiaG-；周生鞭毛；与10相近；食品腐生菌；食品卫生指示菌；见于水体、土壤和肠道； 13. 黄色杆菌FlavobacteriumG-；产脂溶性色素；分解蛋白能力强；为高蛋白食品的腐败菌。,133,14. 库特氏菌KurthiaG+；周生鞭毛；好氧嗜温；见于腐败的蛋白质食品中 15. 乳杆菌LactobacillusG+；呈链状排列；常见于乳制品中。 16. 明串珠菌LeuconostocG+；链状排列；存在于含糖食品中；可作为乳制品发酵菌剂；个别
43、可制造人工血 浆。 17. 微球菌MicrococcusG+；部分菌株产生色素；少数种引起冷藏 食品腐败。,134,18. 片球菌PediococcusG+；成对或四联；广泛存在于自然界。 19. 变形杆菌ProteusG-；强力分解蛋白质；分布于土壤、水体和动物粪便；引起食品腐败和食物中毒。 20. 假单胞菌PseudomonasG-；分布极广；具有分解蛋白和脂肪能力；产色素；广泛引起食物变质腐败。 21. 沙门氏菌SalmonellaG-；发酵糖类(乳糖除外)；重要肠道病原菌；引起传染病和食物中毒。,135,22. 沙雷氏菌SerratiaG-；产色素；见于水体、土壤和腐败物中。 23.
44、志贺氏菌ShigellaG-；存在于污染水源和人类消化道；重要的医学病原菌。 24. 葡萄球菌StaphylococcusG+；存在于动物皮肤、鼻腔和其它部分；引起皮肤和粘膜脓肿以及食物中毒。 25. 链球菌StreptococcusG+；链状排列；少数为致病菌或引起食品变质；部分可作为食品发酵菌种。,136,第二节 放线菌 Actinomycetes放线菌为杆状分枝或丝状、以孢子繁殖的革兰氏阳性的原核微生物，介于细菌和丝状真菌之间。因其菌落呈放射状而名，1877年由Harz首先发现。放线菌多为腐生，少数寄生。放线菌最突出的一个特性就是能产生大量的、种类繁多的抗生素Antibiotic(链霉素
45、、红霉素、利福霉素等)，其中以链霉菌为最大家族。因此放线菌是开发抗生素的重要微生物资源。此外，放线菌还可用以生产维生素和酶制剂、纤维素降解、甾体转化、石油脱蜡及污水处理等。 放线菌耐受干燥。,137,一.放线菌的分布放线菌以孢子或菌丝状态存在于自然界，以土壤中最多。一般情况下，肥沃土壤比贫瘠土壤多，农田土壤比森林土壤多，中性或偏碱性土壤中较多；水体中放线菌数量不多，海洋中具有耐盐放线菌；空气中的放线菌来源于土壤；反刍动物的消化道内含有大量的放线菌，堆肥中的放线菌可能来源于此。放线菌所产生的代谢产物往往使土壤具有特殊的泥腥味。,138,二.放线菌的形态与结构放线菌菌体为单细胞，由分枝发达的菌丝(
46、hypha)组成，因菌丝形成的网状结构称为菌丝体(mycelium)；细胞壁与细菌类似，含有胞壁质和二氨基庚二酸，不含几丁质和纤维素；革兰氏反应一般阳性。根据放线菌的菌丝形态和功能，可将其分为营养菌丝、气生菌丝和孢子丝。,139,丝状细菌放线菌,140,1.营养菌丝vegetative hypha：又叫基内菌丝，匍匐生长于培养基内，主要功能是吸收营养物，有的可产各种色素(培养基颜色或菌落颜色)。 2. 气生菌丝 aerial hypha：又称二级菌丝，由营养菌丝长出培养基外并伸向空间的部分，菌丝较粗，颜色较深，有的可产色素。 3.孢子丝 sporophore：由气生菌丝所特化以形成孢子的菌丝，
47、孢子丝的形状及其排列方式在菌种鉴定上具有意义。,141,孢子丝形状与排列：直、波浪、钩状、螺旋；丛生、轮生、成束等。螺旋状孢子丝的螺旋结构和长度很稳定，螺旋数目、疏密程度、旋转方向是种的特征总之，孢子丝形态结构是放线菌分类鉴定的重要依据孢子丝长到一定阶段可形成孢子，孢子呈圆形、椭圆、杆状、梭状、半月状、圆柱状等。电镜下的放线菌孢子表面或光滑、或带小疣、或带刺、或毛发状(菌种鉴定依据之一)孢子表面结构与孢子丝形状的关系：直或波浪形孢子丝所形成的孢子多为光滑，而螺旋状孢子丝形成的孢子多带刺或毛发；黑色孢子绝多带刺，其余颜色孢子多为光滑。,142,三.放线菌的繁殖 电镜研究表明：放线菌孢子的形成只有
48、横隔分裂而无凝聚分裂方式。横隔分裂通过两种途径实现：细胞膜内陷，形成横隔膜，细胞壁加厚，将孢子丝分割成许多孢子；细胞壁和细胞膜同时内陷，逐步向内缢缩，缢裂为一串孢子。放线菌孢子耐干燥而不耐温，65即可灭活。,143,四. 放线菌的菌落 菌落表面质地致密，小而不蔓延，丝绒状或有皱褶、干燥不透明，上覆一层色彩鲜艳的干粉(孢子)，往往产生色素，菌落与培养基接合紧密，故不易挑起。 五. 放线菌的生理 绝大多数放线菌为异养型，大多数放线菌为好气型，多数放线菌的最适生长温度为23-37；高温放线菌可在50-65下生长。放线菌菌丝体比细菌营养体细胞的抗干燥能力强。,144,六.放线菌的代表属1.链霉菌属St
49、reptomyces：约500余个种，菌丝体发达 ，菌丝形态分化明显；孢子丝和孢子的形态因种而异，这是链霉菌属分种的重要识别性状之一。链霉菌重要生长在含水较低、通风好的土壤中。产抗生素放线菌的90%为链霉菌，比如：链霉素、土霉素、博莱霉素、丝裂霉素、制霉菌素、卡那霉素等都是链霉菌的次生代谢产物。链霉菌的50%以上都能产生抗生素。,145,2.诺卡氏菌属Nocardia：分布于土壤，产生30多种抗生素，如利福等霉素等 3.放线菌属Actinomyces：多为致病菌，无气生菌丝，不产孢子；一般为厌氧菌或兼性厌氧，寄生于动物体内。 4.小单胞菌属Micromonospora：菌丝体纤细，不形成气生菌丝，分枝菌丝顶端生一个孢子；分布于土壤或湖底淤泥，可产生较多抗生素，如庆大霉素等；该属菌产抗生素的潜力较大。,
